Definition af en Boson-partikel

I partikelfysik, a bosonen er en type partikel, der adlyder reglerne i Bose-Einstein-statistikker. Disse bosoner har også en kvantespind med indeholder en heltalværdi, såsom 0, 1, -1, -2, 2 osv. (Til sammenligning er der andre typer partikler, kaldet fermioner, der har et halvt heltalsspin, såsom 1/2, -1/2, -3/2 osv.)

Bosoner kaldes undertiden kraftpartikler, fordi det er bosonerne, der kontrollerer samspillet mellem fysiske kræfter, såsom elektromagnetisme og muligvis endda tyngdekraften i sig selv.

Navnet boson stammer fra efternavnet til den indiske fysiker Satyendra Nath Bose, en strålende fysiker fra tidligt tyvende århundrede, der arbejdede med Albert Einstein for at udvikle en analysemetode kaldet Bose-Einstein Statistikker. I et forsøg på fuldt ud at forstå Plancks lov (den termodynamiske ligevægtsligning, der kom ud af Max Plancks arbejde med blackbody stråling problem), Bose foreslog først metoden i et papir fra 1924, der forsøgte at analysere fotonernes opførsel. Han sendte papiret til Einstein, der var i stand til at få det offentliggjort... og fortsatte derefter med at udvide Boses ræsonnement ud over blot fotoner, men også til at gælde for stofpartikler.

En af de mest dramatiske effekter af Bose-Einstein-statistikker er forudsigelsen om, at bosoner kan overlappe hinanden og eksistere sammen med andre bosoner. Fermions på den anden side kan ikke gøre dette, fordi de følger Pauli-udelukkelsesprincip (kemikere fokuserer primært på den måde, Pauli-ekskluderingsprincippet påvirker opførslen af ​​elektroner i kredsløb omkring en atomkerne.) På grund af dette er det muligt for fotoner at blive en laser og nogle sager er i stand til at danne den eksotiske tilstand af a Bose-Einstein kondensat.

I henhold til standardmodellen for kvantefysik er der et antal grundlæggende bosoner, som ikke består af mindre partikler. Dette inkluderer de basale gauge-bosoner, de partikler, der medierer fysiske grundlæggende kræfter (undtagen tyngdekraften, som vi kommer til i et øjeblik). Disse fire gauge-bosoner har spin 1 og er alle blevet eksperimentelt observeret:

• photon - Fotoner, der er kendt som lyspartiklen, bærer al elektromagnetisk energi og fungerer som målebosonen, der medierer kraften i elektromagnetiske interaktioner.
• gluon - Gluoner mægler samspillet mellem den stærke atomkraft, der binder sammen kvarker at danne protoner og neutroner og holder også protoner og neutroner sammen inden i et atoms kerne.
• W Boson - En af de to gauge-bosoner involveret i formidling af den svage atomstyrke.
• Z Boson - En af de to gauge-bosoner involveret i formidling af den svage atomstyrke.

Ud over ovenstående er der andre grundlæggende bosoner forudsagt, men uden klar eksperimentel bekræftelse (endnu):

• Higgs Boson - I henhold til standardmodellen er Higgs Boson den partikel, der giver anledning til al masse. Den 4. juli 2012 meddelte videnskabsmænd hos Large Hadron Collider, at de havde god grund til at tro, at de havde fundet bevis for Higgs Boson. Yderligere forskning pågår i et forsøg på at få bedre information om partiklens nøjagtige egenskaber. Partiklen forventes at have en kvantespindværdi på 0, hvorfor den klassificeres som en boson.
• graviton - Graviton er en teoretisk partikel, der endnu ikke er blevet eksperimentelt påvist. Da de andre grundlæggende kræfter - elektromagnetisme, stærk atomkraft og svag atomkraft - alle er forklaret i udtryk for en måleboson, der mægler styrken, var det kun naturligt at forsøge at bruge den samme mekanisme til at forklare tyngdekraft. Den resulterende teoretiske partikel er graviton, som forudsiges at have en kvantespindværdi på 2.
• Bosonic Superpartners - I henhold til teorien om supersymmetri ville enhver fermion have en så langt uopdaget bosonisk modstykke. Da der er 12 grundlæggende fermioner, antyder dette, at - hvis supersymmetri er sandt - der er yderligere 12 grundlæggende bosoner, der endnu ikke er blevet opdaget, formodentlig fordi de er meget ustabile og er forfaldne ind andre former.

Nogle bosoner dannes, når to eller flere partikler går sammen for at skabe en heltal-spin-partikel, såsom:

• mesoner - Mesoner dannes, når to kvarker bindes sammen. Da kvarker er fermioner og har et halvt helt tal, hvis to af dem er bundet sammen, drejes spin af den resulterende partikel (som er summen af ​​de individuelle spins) ville være et heltal, hvilket gør det til en boson.
• Helium-4 atom - Et helium-4 atom indeholder 2 protoner, 2 neutroner og 2 elektroner... og hvis du tilføjer alle disse spins, ender du med et heltal hver gang. Helium-4 er især bemærkelsesværdig, fordi den bliver en overfladisk, når den afkøles til ultra-lave temperaturer, hvilket gør det til et strålende eksempel på Bose-Einstein-statistik i aktion.

Hvis du følger matematikken, vil enhver sammensat partikel, der indeholder et jævnt antal fermioner, være en boson, fordi et jævnt antal halvtal altid vil tilføje et helt tal.